東圳水庫干渠木蘭倒虹吸鋼管內(nèi)壁防腐措施探討

許志生

（福建省莆田市供水公司，福建莆田 351100）

東圳水庫干渠木蘭倒虹吸鋼管內(nèi)壁防腐措施探討

許志生

（福建省莆田市供水公司，福建莆田 351100）

木蘭倒虹吸管始建于20世紀(jì)60年代，1978年木質(zhì)管道因腐蝕漏水而報(bào)廢，改為兩條鋼管承擔(dān)輸水，鋼管內(nèi)外采用涂漆防腐，效果極差。針對1998年10月實(shí)施的木蘭倒虹吸鋼管內(nèi)壁防腐工程，通過管內(nèi)最大沖刷力計(jì)算、施工要點(diǎn)介紹、近15a運(yùn)行效果檢驗(yàn)，得出在倒虹吸鋼管內(nèi)實(shí)施水泥砂漿抹面防腐是可行的。

含砂水體；倒虹吸管；砂漿抹面防腐；實(shí)際效果；可行

1 問題的提出

木蘭倒虹吸管始建于20世紀(jì)60年代，位于莆田市東圳水庫干渠19＋845～20＋195處，由兩條木質(zhì)管道和一座用于固定管道的過溪橋梁組成，1978年木質(zhì)管道因腐蝕破壞漏水嚴(yán)重而宣告報(bào)廢，改為兩條鋼管承擔(dān)輸水任務(wù)，每條鋼管長300m（12節(jié)×25m／節(jié)），管壁厚度12mm（支座處管壁厚度14mm），鋼管內(nèi)徑2.4m，設(shè)計(jì)流量 2×14m3／s，鋼管內(nèi)外采用涂漆防腐。從1978—1998年，每年冬季歲修時(shí)鋼管內(nèi)壁均重新涂漆一遍，可結(jié)果是年年防腐年年腐。至1998年9月檢測管厚時(shí)，局部管厚只有9.2mm，平均厚度約為9.5mm，實(shí)際年腐蝕率λ高達(dá)0.125mm／a［（12mm－9.5mm）÷20a］，如果鋼管防腐方法沒有改變，到達(dá)《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》SL226—98規(guī)定鋼管的報(bào)廢蝕余厚度7mm，其使用壽命只有40a。

計(jì)算方法如下：

1）設(shè)計(jì)厚度＝12mm。

2）報(bào)廢蝕余厚度 δmin＜（D／800＋4）mm＝7.00mm。

3）腐蝕速率 λ＝0.125mm／a。

4）故使用壽命 L＝（δ0－δmin）／λ＝40a

2 防銹漆防銹的實(shí)際效果分析

涂漆防腐的鋼管經(jīng)過1a的運(yùn)行，年底渠道歲修進(jìn)入管內(nèi)檢查時(shí)，已不見漆層，唯留光滑耀眼的金屬本色（當(dāng)然幾小時(shí)后就出現(xiàn)黃褐色的銹跡，24h后管內(nèi)便布滿銹跡）［1］。

而造成上述結(jié)果的主要原因是倒虹吸鋼管所處的特殊地理位置，緊連盤山輸水明渠之后，由于水土流失的原因，水體中常參夾著諸多沙石、樹杈等雜物，這些雜物不斷地摩擦、沖刷、撞擊漆膜表面，而油漆膜的機(jī)械強(qiáng)度較低，涂層厚度薄，便會(huì)很快磨蝕、失效，要提高鋼管防腐效果就必須提高防腐涂層機(jī)械強(qiáng)度和厚度。

3 可行性論證

通過對國內(nèi)外各種防腐措施和造價(jià)分析研究，考慮到由水泥砂漿形成的混凝土耐磨性與耐撞擊性遠(yuǎn)大于油漆，所以改造方案擬為用水泥砂漿抹面替代防銹油漆，但必須進(jìn)行可行性的論證［2］。

3.1 水泥砂漿抹面與鋼管的黏結(jié)力必須大于管內(nèi)水流的沖刷力的驗(yàn)（論）證

經(jīng)初步分析，水流最大的沖刷力發(fā)生在管內(nèi)壁的AB段管道下部的120°區(qū)域內(nèi)，見圖1，經(jīng)幾何分析計(jì)算AB＝3.395m。此處的沖刷力主要由轉(zhuǎn)彎引起的局部水頭損失和AB段的沿程水頭損失所產(chǎn)生，其水頭損失應(yīng)為兩者疊加，即總水頭損失，計(jì)算公式為：

圖1 木蘭倒虹吸管縱斷面圖

3.1.1 局部水頭損失

局部水頭損失hj的計(jì)算公式為：

式中：v為平均流速，m／s；Q為單管設(shè)計(jì)流量，14m3／s；d為管徑，2400mm；g為重力加速度，g＝9.81 m／s2；ζ為局部水頭損失系數(shù) 查管道各種局部水頭損失系數(shù)表，得ζ＝0.35。

3.1.2 沿程水頭損失

沿程水頭損失hf可按謝才公式計(jì)算：

式中：λ為沿程阻力系數(shù)，m2／s；LAB為管道長度，m，經(jīng)幾何計(jì)算LAB＝3.395m；d為倒虹吸管直徑，m；v為平均流速，m／s，經(jīng)上述計(jì)算 v＝3.10m／s；g為重力加速度，g＝9.81m／s2。

計(jì)算步驟如下：

雷諾數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：υ為液體運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，20℃時(shí)水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)（υ＝0.0101cm2／s）；d為倒虹吸管直徑，2.4m；v為倒虹吸管內(nèi)水流平均流速3.1m／s。

判斷液體流動(dòng)狀態(tài)：由于Re＝7366.3×103＞2320，故為紊流

計(jì)算沿程虹吸管AB段內(nèi)的水頭損失，m：

ω＝πd2／4＝4.5216m2

R＝（πd2／4）÷πd＝0.6m（水力半徑）

3.1.3 AB區(qū)域內(nèi)的總水頭損失

AB區(qū)域內(nèi)的總水頭損失H的計(jì)算公式為：

經(jīng)計(jì)算，H＝0.185m。

3.1.4 壓力單位換算

把總水頭損失H換算成壓力單位，公式為：

式中：ρ為20℃時(shí)水的密度，kg／m2；ρ＝998.23，kg／mm3；H為總水頭損失，m，H＝0.185m。

所以：p＝184.67kg／m2

即AB段的平均水流沖刷力≈0.0185kg／cm2

查相關(guān)資料：混凝土與光滑鋼筋的切向黏結(jié)力為25～40kg／cm2，遠(yuǎn)大于管內(nèi)水流沖刷力。

3.2 混凝土與鋼筋具有相近的線膨脹系數(shù)

混凝土為0.00001～0.0000148，鋼為0.000012，因而溫度變化不致破壞其整體性。

3.3 砂漿抹面對鋼管壁的保護(hù)

致密的水泥砂漿抹面對鋼管壁的保護(hù)是很有效的。

基于上述3點(diǎn)論證，在木蘭倒虹吸鋼管內(nèi)壁采取水泥砂漿抹面防腐是可行的。

4 水泥砂漿內(nèi)壁抹面防腐施工方案的實(shí)施

4.1 除銹

除銹即壓力噴砂，壓力0.5～0.6MPa；砂質(zhì)要求：干燥淡水粗砂（粒徑約為2.3～3.1mm），注：禁用海砂；噴砂除銹應(yīng)使管道表面無可見油脂、污垢、松散的氧化鐵皮、浮銹、泥土和油漆涂層等附著物，管道表面顯示均勻的金屬色澤。為防止殘留的粉塵影響?zhàn)そY(jié)力，優(yōu)化施工環(huán)境和確保施工人員的身體健康，必須采用機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)、逐管吊起自然透氣等措施。（參照《化工設(shè)備、管道外防腐設(shè)計(jì)規(guī)定》HG／T20679—1990）。

4.2 水泥砂漿抹面

水泥砂漿抹面選用42.5的硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或32.5的復(fù)合硅酸鹽水泥，但同一節(jié)鋼管只能用同一種水泥，不得混用，潔凈的天然河砂，砂顆粒要堅(jiān)硬，級配良好，砂中泥土、云母、有機(jī)雜質(zhì)及其它有害物質(zhì)的總重不應(yīng)超過總重的2%，拌和用水宜采用生活飲用水。采用灰砂比1∶2的水泥砂漿，砂漿強(qiáng)度等級M30，厚18mm，操作工藝與普通的水泥砂漿抹面相同，但需要說明的有如下幾點(diǎn)：

1）施工時(shí)砂漿要求薄層抹壓緩慢加厚，砂漿初凝前必須抹到設(shè)計(jì)厚度，接近初凝時(shí)再抹壓一遍，每節(jié)鋼管必須一次性當(dāng)班施工完成。不得分層分段施工。對此，曾在倒虹吸管的頭20m（單管）作過分層水泥砂漿抹面試驗(yàn)，在第二年（即2000年4月）汛前安全檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)該處外層水泥砂漿抹面脫落嚴(yán)重，內(nèi)層完好。

2）為確保管頂部分的水泥砂漿抹面厚度，避免空鼓和砂漿在施工過程脫落現(xiàn)象，由于木蘭倒虹吸鋼管是用螺栓固定在過溪管道橋的支座上，利用起重設(shè)備可以拆卸，可采取旋轉(zhuǎn)鋼管的措施，使整個(gè)抹面作業(yè)過程均處在俯抹或立抹狀態(tài)。

3）在施工中，沒有使用添加劑，其主要原因是配合比、攪拌工藝不好控制，怕影響工程施工質(zhì)量。

4）從圖1可以看出，管道AB處受含砂水體的沖刷作用最大，應(yīng)在此處及附近區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的加厚抹面和加大水泥砂漿標(biāo)號(hào)的措施，并使折角處呈流線型。

4.3 養(yǎng)護(hù)

28d灑水養(yǎng)護(hù)。

4.4 監(jiān)督

1）由于施工環(huán)境較差，特別要求有關(guān)施工管理人員必須在抹面工序施工之前對管內(nèi)進(jìn)行除銹效果檢查，確保施工質(zhì)量。

2）水泥沙漿配比檢查主要是嚴(yán)格按水泥砂漿配合比要求進(jìn)行稱量控制，施工現(xiàn)場用插針方法控制抹面厚度。

3）在抹面砂漿到達(dá)一定強(qiáng)度后使用敲擊法進(jìn)行空鼓檢查。

5 改造效果

5.1 防腐效果

本改造自1999年1月投運(yùn)至今，每次停水進(jìn)入管內(nèi)細(xì)查（最近一次進(jìn)管檢查時(shí)間是2013年2月底），水泥砂漿抹面體表面完整無破損，經(jīng)無損檢測，鋼管壁厚與1998年相同。

5.2 管理成本

從1999年1月—2013年1月，14a幾乎沒有在倒虹吸管內(nèi)因防腐問題而花費(fèi)財(cái)力、物力、人力。

5.3 經(jīng)濟(jì)效率

用福建省水利水電建筑工程預(yù)算定額［2011年］計(jì)算，14a共計(jì)節(jié)省工程直接費(fèi)用981.2萬元：

1）吊裝費(fèi) 19.2萬元／a。

2）噴砂除銹費(fèi)28.5萬元／a。

3）油漆費(fèi) 31.6萬元／a。

4）水泥砂漿抹面費(fèi)81.3萬元／a。

節(jié)省費(fèi)用＝（1998—2013）年油漆費(fèi)－水泥砂漿抹面費(fèi)＝981.2萬元。

其經(jīng)濟(jì)效益是很明顯的。

6 結(jié) 語

綜上所述及近15a通水運(yùn)行的考驗(yàn)，不論是從防腐效果、管理成本還是從經(jīng)濟(jì)效益等角度看問題，木蘭倒虹吸管采用水泥砂漿抹面的管道內(nèi)壁防腐措施是正確的。筆者認(rèn)為采用水泥砂漿抹面對于含砂水體的管道內(nèi)壁防腐和抗磨蝕是有效的，對于其它類似工程具有一定的參考價(jià)值。

［1］卜武華.黃南干二級泵站進(jìn)水壓力鋼管內(nèi)壁防腐施工技術(shù)措施［J］.山西水利科技，2007（01）：40－42.

［2］趙永安.給水鋼管內(nèi)外壁防腐技術(shù)工藝［J］.排灌機(jī)械，2005，23（05）：43－45.

Mulan Inverted Siphon Pipe Inner Wall Anticorrosion Measures of Dongzhen Reservoir Main Canal in Putian City

XU Zhi-sheng
（Fujian Province Putian City Water Supply Company，Putian 351100，China）

Mulan inverted siphon straw was founded in twentieth century 60's，it was abandoned in 1978 due to pipeline corrosion and water leakage，and two steel pipelines，with internal and external painting anticorrosion on them，was built to transmit water and anticorrosion effect was not good. In terms of internal anticorrosion project conducted in October，1998，through the maximum scouring force calculation，construction point descriptions and operation effect examination，it is concluded that mortar anti-corrosion is feasible for inverted siphon pipe inner anti-corrosion.

sand water；inverted siphon straw；mortar anti-corrosion；actual effect；feasibility

T547.2

A

1007－7596（2014）08－0029－03

2014－05－24

許志生（1956－），男，福建莆田人，工程師，從事水利水電建設(shè)與管理工作。